桥梁工程概论：风力对结构的影响

风对桥梁结构的作用，可分为不随时间变化的平均风所引起的静力作用和随时间变化的脉动风引起的动力作用两大类。

1.风的静力作用

在平均风的作用下，若假定结构保持静止不动，则作用在其上的空气力不随时间变化。由于桥梁的主梁是一水平的细长结构（即跨高比较大），故可将风吹过梁时的绕流形态在全桥长范围内视作相同的。这样，作用在主梁单位长度上的静力风荷载可分解为顺风向的阻力和垂直风向的升力，以及气压分布引起的升力矩三个分量（图9.12（a））。为了方便起见，三分力通常还按体轴坐标系（图9.12（b）所示坐标系，沿截面形心主轴建立）给出

图9.12　作用在主梁上的三分力

式中　ρ——空气密度，一般取 ρ＝1.225kg/m3；

V——设计风速；

H，B——主梁的侧向投影高度和宽度；(www.xing528.com)

CD，CL，CM——阻力系数、升力系数或力矩系数，一般可通过主梁节段模型的风洞模型试验或数据计算给出。

静风作用主要引起桥梁的强度破坏、变形过大或静力失稳。在我国现行公路和铁路桥梁设计规范中，风荷载仅指阻力分量，而不包括升力和力矩。近年来，随着我国交通事业的发展，公路桥均较宽，这时，升力效益将更明显。此外，对于施工阶段的 T 构，阻力和升力的共同作用对结构控制截面的内力影响会更大。对风荷载作用下的静风设计，除考虑桥梁的强度和变形外，对于长大跨度的悬索桥和斜拉桥，有时还需检验主梁的静力稳定性等问题。

2.风的动力作用

对大跨度桥梁而言，除考虑上述风的静力作用外，还必须考虑风引起的结构振动。桥梁的风致振动包括两大类：一类是当自然风速达到某一临界值时，由于流固耦合自激作用而引起的桥梁振幅不断增大直至结构毁坏的振动，它是一种发散振动，包括桥梁的颤振和矩形断面等钝体结构的弛振；另一类是限幅振动，这类振动振幅有限，不会发散，包括涡激共振和抖振，其中涡激共振往往在低风速下发生。对桥梁危害最大的就是自激发散振动。所谓自激发散振动，就是指桥梁在风力作用下被激振动后，在一定的振动频率和相位下，可以不断地从风力作用中获取能量，以抵消结构本身的阻尼对振动的衰减作用，从而使振幅不断增大，直至破坏。若桥梁产生扭转形式或扭转与竖向弯曲振动相耦合的形式的发散振动，则称其为颤振（flutter，前述塔科马桥的风毁就是一例）；若产生以横风向弯曲形式的发散振动，则称其为驰振（galloping）。

涡激振动（Vortex induced vibration）是由于气流绕过物体时在物体两侧及尾流中产生了周期性脱落的旋涡，从而两侧出现交替作用的涡激力，当旋涡脱落频率接近或等于结构的自振频率（固有频率）时，结构出现的一种限幅振动，故称为涡激共振。这种振动仅在某一风速范围内发生，并呈现出共振的性质。对于主梁而言，其振动形态有竖向涡振或扭转涡振，对于施工阶段的独塔和拱桥的吊杆等桥梁构件，也可能出现涡激共振。抖振（buffeting）则是一种由大气中紊流成分所激发的不规则的强迫振动，它随着风速的增大而逐渐增大。涡振属于限幅振动，虽然不具备破坏性，但它们发生时的风速低，容易使结构产生疲劳或影响桥梁正常使用。抖振也属于限幅振动，如果振幅过大，也会引起结构的损伤。

图9.13　风致振动的种类

各类振动引起的振幅与风速的关系见图9.13示意。

除上面介绍的桥梁风致振动外，对于斜拉桥，其拉索还可能出现多种形式的风致振动，其中危害最大的是：当索面中两排拉索横桥向并列布置时（参见第八章图8.51（g）），背风侧拉索由迎风侧拉索的尾流引起尾流弛振。下雨时，风（风速一般为5～15m/s）使雨水在拉索表面驻留并形成“上、下水路”时，拉索可能会出现雨—风激励振动，简称雨振。由于拉索风振的振幅较大，可能引起索端疲劳，并引起行人不安，有时甚至引起索与索相碰，从而导致拉索护套的损坏等。因此，它已越来越受到工程界的重视。

风对桥梁结构的静力和动力作用除与风速大小等风的特性有关外，还与桥式、桥跨体系布置、桥梁所用材料以及主梁的几何外形等有着重要关系。